Интегральные диоды.

Радиационная стойкость обеспечивается при использовании коллекторного или эмиттерного переходов радиационно-стойкого транзистора. Наибольшей устойчивостью к ИИ обладают высокочастотные диоды (с тонкой базой).

Биполярные транзисторы.

Радиационная стойкость в основном определяется деградацией коэффициента передачи по току. Второстепенные эффекты: изменение второстепенных характеристик p–n-переходов, уменьшение емкостей p–n-переходов. Главнаяпричина деградации параметров биполярных транзисторов при ИИ — радиационные дефекты в полупроводниковом материале.

При облучении биполярных транзисторов, не имеющих на поверхности кристалла защитных покрытий, наблюдается обратимое возрастание тока из-за ионизационных эффектов. При прочих равных условиях наиболее устойчивы к ИИ транзисторы с минимальными размерами структуры и ступенчатым распределением примеси в р—п-переходах.

Для повышения радиационной стойкости аппаратуры рекомендуется применять высокочастотные транзисторы с пассивирующими покрытиями па поверхности кристалла и с низкой мощностью рассеяния, работающие в режиме больших токов.

Униполярные транзисторы.

Радиационная стойкость определяется изменениями поверхностных и объемных состояний, обусловленными процессами вокисле, покрывающем поверхность приборов. Униполярные транзисторы выдерживают уровни ИИ меньшие, нежели биполярные. Наиболее чувствительны к воздействию ИИ униполярные транзисторы с изолированным затвором (МДП-транзисторы) Уже при дозе гамма-излучения менее 10⁴рад и флюенсе, равном 10¹² нейтр./см², наблюдается необратимый сдвиг сток-затворной характеристики в сторону более отрицательных смещений затвора (изменение порогового напряжения). Абсолютная величина сдвига зависит от толщины и материала диэлектрической пленки (чувствительность к ИИ снижается в следующей последовательности; SiО₂, SiN₄, SiO, Al₂O₃), материала электродов, технологии изготовления приборов, напряжения на затворе. Наиболее устойчивыми к ИИ являются МДП структуры с диэлектриком на основе Аl₂О₃. Они выдерживают фотонные излучения с дозой до 10⁷ рад и уровни быстрых нейтронов ПИЧ до 10¹⁵ нейтр./см². Униполярные транзисторы с управляющим р—n-переходом обладают большей устойчивостью к ИИ, чем МДП транзисторы.

Интегральные микросхемы.

Действие ИИ проявляется в обратимых нарушениях работоспособности, вызванных ионизационными эффектами, и в необратимой деградации параметров. Основные причины нарушения работоспособности: изменение параметров у входящих в них элементов (резисторов, транзисторов и др.), повреждение межсоединений, ухудшение качества изоляции Радиационная стойкость конкретных ИС определяется их конструктивно-технологическими и схемными особенностями.

Конструктивно-технологические методы повышения радиационной стойкости ИС следующие:

— обеспечение стойкости к ИИ активных и пассивных элементов;

— создание надежной электрической изоляции элементов вусловиях воздействия ИИ;

— использование радиационно-стойких проводящих и диэлектрических пассивирующих материалов;

— ослабление первичного ИИ за счет рационального выбора конструкции корпуса и применение материалов, поглощающих энергию ИИ.

Наименее устойчивы к ИИ ИС с изоляцией встречно включёнными p–n-переходами. При воздействии ИИ образуются паразитные связи между элементами. Активизируются паразитные переключающие четырёхслойные структуры, связанные с изолирующими переходами. Всё это вызывает сбой или полный отказ ИС. Повышение радиационной стойкости достигается за счет уменьшения площади изолирующего перехода (метод ионной имплантации и др ) и использования изоляции в виде двуокиси кремния, сапфира, керамики. При использовании сапфировых подложек можно получить ИС, способные работать при мощности дозы до 10¹¹ рад/с. ИС на поликристаллической подложке выдерживает излучение с мощностью дозы до 10⁷...10⁸ рад/с. Повреждение межсоединений может произойти из-за фототоковой генерации и теплового поглощения материалов межсоединения низкоэнергетических фотонных излучений.

Разрушение межсоединений из-за фототоковой генерации характерно для биполярных ИС, в которых при ИИ плотность тока в металлизации может возрасти в 100 раз. Для алюминиевой металлизации с типичной толщиной предел термоэлектрической прочности составляет 10⁵ А/см², что может достигаться при помощи дозы, равной 2∙10¹¹ рад/с.

Значительный интерес для использования в условиях ИИ представляют ИС на основе керамических элементов (керамические твердые схемы) Такие ИС способны работать при нейтронном ИИ при флюенсах 10¹⁷ ... 10¹⁹ нейтр./см² и дозах гамма-излучения до 10¹⁰ ... 10¹¹ рад.

Влияние ИИ на электровакуумные приборы

Основные радиационные дефекты при воздействии ИИ на электровакуумные приборы: комптоновские токи, разгерметизация или разрыв баллона, выделение газов (СО, С0₂, O₂ пары Н₂O) с последующим отравлением катода, вторичное ИИ.

Главным источником комптоновских электронов является сетка. Анодный ток при воздействии ИИ увеличивается так, как если бы на сетку было подано положительное напряжение. Степень возрастания анодного тока зависит от коэффициента усиления лампы и величины сопротивления между сеткой и катодом.

Степень воздействий ИИ на баллоны из стекла и керамики зависит от сорта материала. Наименее стойкими к ИИ являются баллоны из стекла, содержащего бор: при флюенсах порядка 10¹⁶ нейтр./см² они разгерметизируются.

Наибольшей стойкостью к ИИ обладают приемно-усилительные лампы (допустимый флюенс 10¹⁶ нейтр./см²). Фотоэлементы и электронно-лучевые трубки наименее устойчивы к ИИ (допустимый флюенс 10¹³ нейтр./см²): их отказ может произойти как из-за повреждения рабочих элементов, так ииз-за изменения свойств защитных стекол.

В настоящее время хорошо отработаны и широко используются схемотехнические методы фототоковой компенсации, функциональное резервирование н другие меры, позволяющие повысить радиационную стойкость ИС но один-два порядка.

Данные по допустимым флюенсам и дозам для некоторых материалов и электрорадиоэлементов приведены на рисунке 1.

Смазки

Воздействие на смазочные материалы излучений высоких энергий (гамма-излучение, нейтронное и протонное излучение, альфа-частицы, свободные электроны и пр.) приводит к глубоким изменениям их структуры и свойств. Глубина изменений свойств зависит от дозы поглощенного облучения и химического состава смазочного материала. О радиационной стойкости смазок судят по изменению их свойств после облучения определенной интенсивности. Суммарная доза до 5∙(10⁶-10⁸) рад обычно вызывает разрушение волокон загустителя и изменения свойств смазок.

При работе в экстремальных условиях используются антифрикционные (АФ) покрытия, пасты или сухие порошки, а также как присадки к консистентным смазкам и маслам. В связи с трудностями нанесения на подшипники, сухие порошки приемлемы только для нескольких особых случаев применения. После многолетних разработок АФ покрытий, было доказано, что эти высокоэффективные смазки отлично работают в аэрокосмической отрасли, всех отраслях промышленности и особенно в тех сферах, где критичны проблемы трения и износа.

Специализированные смазочные материалы MOLYKOTE® D - 321 R - граффито – молибденовая сухая смазка воздушной сушки. Типичные применения:

- для соединений метал/метал при низких и средних скоростях и высоких нагрузках;

- подходит для постоянной смазки высоконагруженных направляющих с низкими скоростями скольжения, колебательными движениями и прерывистым режимом работы;

- улучшает процесс приработки. Для смазки систем работающих под высоким вакуумом и при экстремальных температурах и радиационных нагрузках.

.

Рисунок 1. Стойкость материалов и электрорадиоэлементов к воздействию флюенса нейтронов (о) F_N, нейтр./см² и к поглощенной дозе D (D), рад.

Провода и кабели

В КА применялось и применяется около 50 марок радиоча­стотных кабелей с диаметрами по изоляции от 0,6 до 11 мм. Гибкие кабели исполь­зуются как для фиксированного монтажа, так и для подключения раскрывающихся и подвижных антенн, в том числе в КА, функ­ционирующих на геостационарных орбитах. При этом высокие дозы радиации мало влияют на электрические характеристики кабелей, что подтверждено соответствующими наземными испытаниями и исследованиями.

В 1990 г. в ОКБ КП была разработана серия из четырех кабелей, предназначенных специально для антенно-фидерных устройств (АФУ) КА в видовом исполнении ГОСТ В 20.39.404. Это особо гибкие кабели РК50-2-214, РК50-4-49, РК50-7-415 и РК50-7-416. Для трех последних кабелей нормированное число изгибов составляет 50000, из них 15000 при минус 200 °С. РК50-2-214 и РК50-7-416 отличаются повышенной радиа­ционной стойкостью. Используемые в серии материалы не выделяют конденсируемых продуктов. Стойкость к пониженному атмосфер­ному давлению по ТУ составляет 10^{-9 мм рт. ст. Минимальная наработка при максимальной рабочей температуре плюс 200 о}С составляет 10000 ч (у РК50-7-416 20000 ч). Срок службы у всех кабелей 20 лет. Кабели применялись в ряде аппаратов дальнего космоса.

Первые монтажные провода для КА имели изоляцию в виде обмотки пленкой фторопласта-4 (МГТФ, СФ, ГФ). Однако такая изоляция негерметична и не защищает проводник от паров и влаги. В конце 60-х годов были разработаны герметичные провода типа ФД (МС16-13, МС26-13) с изоляцией на основе спекаемой пленки СКЛФ из фторопласта-4Д. Эти провода явля­лись длительное время основными монтажными и бортовыми проводами КА. Широко применяются они и сейчас. Впослед­ствии, начиная с 80-х годов, для бортовой кабельной сети КА стали применять провода серии МК 26-11(12). Их изоляция изготавливается путем намотки полиимидно-фторопластовой пленки ПМФ между двумя слоями СКЛФ с последующей запеч- кой. В результате получается герметичная монолитная дуго­стойкая изоляция с высокой стойкостью к истиранию, продав- ливанию и проколам. Вес этих проводов на 12 % меньше, чем у проводов МС 26-13 при одинаковом наружном диаметре. В редких случаях, когда требовалась более высокая радиа­ционная стойкость, применялись провода МС26-12 с изоля­цией из фторопласта-40Ш, но они проигрывают МС26-13 по габаритно-весовым характеристикам.

С конца 80-х годов в КА стали применяться провода МС16-12 с изоляцией из полиимидного лака. Эти провода имеют преимущество перед проводами МС16-13 по габаритам, весу, механическим характеристикам и радиационной стойкости, однако обладают таким недостатком, как трудное снятие изоля­ции при монтажных работах из-за высокой адгезии полиимида к металлу. Этот недостаток был частично устранен путем введе­ния под изоляцию подслоя из канифоли (МС16-15) или суспензии фторопласта-4Д (МС26-15). Последним вариантом подобных проводов являются провода МС26-14, в которых фторсуспензия заменена на обмотку пленкой Ф-4Д. Сравнительные характе­ристики перечисленных проводов сечением 0,12 мм² приве­дены в табл. 1. В ней приведены также данные по стойкости к воздействию открытого космоса на орбитах полета косми­ческих станций, полученные из натурных экспериментов на станциях «Салют-7» и «Мир». На этих высотах отсутствуют мощные потоки заряженных частиц, но присутствует агрес­сивный атомарный кислород.

Видно, что в настоящее время нет проводов, отвечающих всем требованиям в полной мере. Однако, если провода на основе полиимидного лака укрыть с помощью многослойной экрановакуумной теплоизоляции (ЭВТИ) от прямого воздей­ствия открытого космоса, то можно получить почти идеаль­ные провода. Их недостаток лишь в повышенной жестко­сти и в заметно более высоком, чем у фторопластовых проводов, газовыделении при нагреве в вакууме. Неплохие перспективы у новых проводов с изоляцией из сшиваемого фторопласта Ф-40С - хорошие габаритно-весовые показа­тели, хорошая радиационная стойкость, малое газовыде- ление и более высокая гибкость по сравнению с полиимид- ными проводами.

Для внутриприборного монтажа разработано несколько видов ленточных проводов - ЛЛПС, ЛФС, ЛФ, ЛПФО, ЛПФП. Из высоковольтных кабельных изделий в КА нашли применение монтажные провода ВНМ с изоляцией из фторопласта-4МБ, ПВМФО с изоляцией из пленки Ф-4 с промазкой кремнийорганической жидкостью для заполнения пустот, провода зажигания ВЗМ-155 с изоляцией из Ф-4 и оболочкой из Ф-4МБ и провода ПМВКС с изоляцией из кремнийорганической резины. Высоко­вольтные провода в КА применяются редко.

Работоспособность проводов и кабелей в условиях РКТ, как правило, более жестких, чем условия, указанные в ТУ, подтверждена многочисленными испытаниями, проводивши­мися в рамках многих НИР и ОКР. По их результатам оформ­лено несколько руководящих документов - решений, перечней. Эти документы при анализе условий эксплуатации в изделии используются в первую очередь. В некоторых случаях прово­дятся испытания на стойкость к воздействию факторов, имею­щих место в конкретном изделии и превышающие по уровню ранее достигнутые значения.

При рассмотрении ПРП проводов и кабелей в конкрет­ном аппарате принимаются во внимание особенности эксплу­атации в КА:

- размещение кабельных изделий преимущественно внутри КА при фиксированном монтаже, а если вне КА, то под защитой ЭВТИ;

- отсутствие кислорода в окружающей среде, вследствие чего радиационная стойкость фторопластов повышается на 2 порядка из-за отсутствия радиационно-окислительных реакций;

- после вывода КА на орбиту механические воздействия практически отсутствуют, кроме изгибов в АФУ;

- максимальная рабочая температура намного ниже, чем допустимая по ТУ, что позволяет увеличить наработку до150 000 часов;

- отсутствие для большинства случаев применения провода или кабеля воздействия атомарного кислорода и солнечного излучения;

- малая глубина проникновения протонов и основной массы электронов радиационных поясов Земли, что приво­дит к значительному уменьшению дозы радиации под ЭВТИ по сравнению с поверхностью КА.

С учетом перечисленных особенностей дано разреше­ние на применение в Международной космической станции, например, фторопластовых проводов МС16-13 при давле­нии 10^{-11 мм рт. ст., в диапазоне температур от минус 125 до плюс 125 °С, наработке 150 000 ч, дозе радиации 5,3 106} рад и сроке службы 23 года (по ТУ 10^{-6 мм рт. ст.; минус 60... плюс 200 °С; 10 000 ч при +200 °С или 25 000 ч при 125 °С; 104} рад и 20 лет - соответственно). По тем же причинам для традици­онного фторопластового радиочастотного кабеля РК50-4-21 допустимую дозу в спутнике «Молния» разрешено увеличить с 10⁴ рад по ТУ до 2∙10⁷ рад.

При рассмотрении ПРП принимаются во внимание и испы­тания, проведенные потребителем, как правило, в составе изделия или узла, в котором используется рассматриваемым провод или кабель.

Из кабельной продукции иностранного производства следует отметить продукцию Tyco Electronics/Raychem.

Tyco Electronics/Raychem признан как мировой лидер в технологии радиационной модификации и использует эти возможности для улучшения качества изоляции провода. Tyco Electronics/Raychem - компания, занимающаяся научным материаловедением для разработки высококачественных изоляционных систем для уникальных окружающих сред.

Таблица 1

Примечание. «+++» - «отлично»;

«++» - «хорошо»;

«+» - «посредственно»;

«-» - «плохо».

В результате работы по созданию ряда продуктов специально оптимизированных для космической среды создана изоляция, которая легче, чем изоляция из полиимидной ленты, политетра-флуорэтилена (PTFE), или этилен-тетрафлуорэтилена (ETFE). Космический провод SPEC 55 превосходит требования NASA по испарению материала изоляции. Дополнительно космический провод SPEC 55 стойкий к радиации и ультрафиолетовому излучению и превосходит многие изоляции в стойкости к деградации атомарным кислородом. Космический провод SPEC 55 фирмы Tyco Electronics/Raychem определен для использования при +200° С и исследования NASA показали что он остается гибким при криогенных температурах. Также SPEC 55 очень стойкий к эффекту дугового разряда, в отличии от полиимидных продуктов. Технология Tyco Electronics/Raychem радиационной модификации изоляции значительно усиливает механические характеристики провода, в результате чего провод может противостоять жестким условиям разделки в процессе монтажа. Космический провод SPEC 55 может быть использован в различных космических и спутниковых применениях, экономит вес электрической кабельной разводки внутри космического аппарата и обеспечивает электрическую изоляцию, которая может противостоять жестким условиям космического пространства вне космического корабля. Радиационно-модифицированная ETFE космическая изоляция (SPEC 55) соответствует принятым рекомендациям NASA для космических материалов и также имеет одобрение ESA.

Защита РЭА от ИИ

Защита от воздействия ионизирующих излучений КП

1. Корпуса и оболочки приборов бортовой аппаратуры из алюминиевых и титановых сплавов являются достаточно эффективными экранами, позволяющими в сотни и тысячи раз ослабить потоки протонов и электронов радиационных поясов Земли.

Защита от потоков нейтронов и гамма-излучения ЯЭУ

2. Ослабление потоков быстрых нейтронов и гамма-излучения реактора ЯЭУ осуществляется собственной теневой защитой ЯЭУ и удалением приборного модуля, а также локальными защитами и массивными изделиями.

3. Интегральный поток быстрых нейтронов в объеме приборного модуля может достигать 10¹³ н/см².

4. Основная проблема обеспечения работоспособности аппаратуры заключается в сохранении ее эксплуатационных параметров при воздействии на нее гамма-излучения.

5. Мощность дозы в объеме приборного модуля не должна превышать 3.2*10^-4 рад/сек при предельном уровне 0.1 Мрад за ресурс в 10 лет.

На рисунке 2 (а—д) показаны характерные варианты защиты РЭА от ИИ. Общая экранировка (а) требует наличия массивного (для обеспечения требуемой эффективности) экрана 1защищающего РЭА 2 от ИИ с любой стороны. Если взаимное положение источника ИИ в РЭА известно и стационарно, то можно применить теневой экран (б), Для защиты от космического ИИ используют многослойные экраны (в) из металлов с высоким кулоновским барьером (например, свинец, вольфрам) 5 и поглощающие прослойки 6, 7. Большее число слоев (г) требует гамма-нейтронная защита, при которой, наряду с кожухом РЭА 8, используют полиэтилено-свинцовый экран 9 для защиты от γ-излучения, термический противонейтронный экран 10 из полиэтилена с окисью бора, полиэтилено-графитовый замедлитель быстрых нейтронов 11 и нержавеющую сталь 12.

Точная информация о свойствах источника ИИ и специфике РЭА позволяет комплексно применять все приемы защиты с целью минимизации ее размеров и массы. В этом случае наряду с защитным экраном 1 и радиационно-стойкими компонентами 2 используют локальную защиту отдельных компонентов РЭА 3 и специальное защитное покрытие 4 (д).